O echipă interdisciplinară de ingineri, biologi şi geneticieni a dezvoltat un nou mod de a studia inima. Ei au construit o replică în miniatură a unei camere cardiace din ţesut cardiac uman viu, dezvoltat din celule stem, şi componente miniaturale proiectate în laborator. Inima miniaturală bate singură, fără ajutorul unor surse exterioare de energie.
În Statele Unite, o persoană moare din cauza bolilor de inimă la fiecare 36 de secunde, potrivit Centrelor pentru Controlul şi Prevenirea Bolilor.
Pentru a studia inima şi a înţelege mai bine cum funcţionează acest organ vital, savanţii au încercat de-a lungul timpului diferite metode.
Ei au cuplat inimi post-mortem la surse de energie pentru a le face să pompeze din nou, au ataşat ţesuturi cardiace crescute în laborator la diferite mecanisme mecanice pentru a le urmări cum se dilată şi se contractă.
Acum, savanţii au reuşit să dezvolte o inimă în miniatură din ţesut uman viu şi componente artificiale proiectate în laborator. Fără surse exterioare de energie sau alte mecanisme mecanice, inima bate de la sine, dirijată de ţesutul cardiac crescut din celule stem.
Oamenii de ştiinţă au botezat inima miniaturală, miniPUMP.
Dispozitivul ar putea oferi cercetătorilor o imagine mai exactă a modului în care funcţionează acest organ, permiţându-le să urmărească în laborator, cu risc zero pentru pacienţi, modul în care inima se dezvoltă în embrion, să studieze impactul bolilor şi să testeze eficacitatea şi efectele secundare ale unor medicamente noi.
Universitatea din Boston, care a condus echipa de specialişti, spune că tehnologia ar putea deschide calea pentru construirea în laborator şi a altor organe, cum ar fi plămâni sau rinichi. Concluziile oamenilor de ştiinţă au fost publicate în Science Advances.
„Putem studia progresia bolilor într-un mod care nu a fost posibil până acum. Am ales să lucrăm la ţesutul cardiac datorită mecanicii sale deosebit de complicate, şi am reuşit să arătăm că, atunci când combini nanotehnologia cu ingineria ţesuturilor, există potenţialul de a replica această tehnologie şi pentru diferite alte organe“, a declarat Alice White, profesor la colegiul de inginerie din cadrul universităţii Boston, şefa departamentului de inginerie mecanică.
Potrivit cercetătorilor, dispozitivul ar putea accelera procesul de dezvoltare al medicamentelor, făcându-l să dureze mai puţin şi să fie mai ieftin.
În loc să cheltuiască milioane şi să dureze zeci de ani până un medicament ajunge să fie testat la om, cercetătorii ar putea folosi miniPUMP de la început pentru a estima succesul sau eşecul unui medicament.
Cercetarea face parte dintr-un un proiect multi-instituţional al Centrului Fundaţiei Naţionale de Ştiinţă în Cercetarea şi Ingineria Materialelor Celulare, condus de universitatea din Boston, numit CELL-MET.
Adunând laolaltă o comunitate de oameni de ştiinţă şi de experţi, centrul îşi propune regenerarea ţesutului cardiac uman, prin testarea de noi medicamente şi crearea de ţesuturi artificiale implantabile pentru inimile afectate de atac de cord sau alte boli.
„Bolile de inimă sunt cauza numărul unu de deces în Statele Unite, şi ne pot afecta pe toţi. În prezent, nu există niciun tratament pentru un atac de cord. Viziunea CELL-MET este de a schimba acest lucru“, a spus White la prezentarea noii tehnologii.
„Inima experimentează forţe complexe în timp ce pompează sânge prin corpul uman. Şi, în timp ce ştim că muşchii inimii se deteriorează ca răspuns la anumite anomalii, cum ar fi hipertensiunea arterială sau boli ale valvelor, până acum a fost dificil să se replice aceste afecţiuni pentru a putea fi studiate. De aceea am vrut să construim o cameră a inimii în miniatură“, a explicat Christopher Chen, profesor emerit de inginerie biomedicală la BU.
Având doar 3 centimetri pătraţi, miniPUMP nu este cu mult mai mare decât un timbru poştal şi a fost construită pentru a acţiona ca un ventricul al inimii umane (camera musculară inferioară). Componentele sale personalizate sunt montate pe o bucată subţire de plastic imprimate 3-D.
Dispozitivul are supape acrilice miniaturale de deschidere şi închidere, care controlează fluxul de lichid (în acest caz apă în loc de sânge), şi mici tuburi ca nişte pâlnii, care conduc lichidul la fel ca arterele şi venele din organismul uman.
Într-un colţ al dispozitivului, realizate cu ajutorul tehnologiei celulelor stem, bat celulele musculare (cardiomiocite), care fac ca ţesutul cardiac să se contracte.
„Acestea sunt generate folosind celule stem pluripotente induse“, spune Christos Michas, cercetător postdoctoral care a proiectat şi a condus dezvoltarea miniPUMP ca parte a tezei sale de doctorat.
Pentru a produce cardiomiocite, cercetătorii colectează o celulă de la un adult, care poate fi o celulă a pielii, o celulă sanguină sau aproape orice altă celulă, pe care o reprogramează într-o celulă stem embrionară, şi pe care o transformă apoi într-o celulă a inimii.
Pe lângă faptul că transformă dispozitivul într-o inimă miniaturală, cardiomiocitele oferă sistemului un potenţial enorm pentru dezvoltarea medicamentelor personalizate, spune Michas.
Cercetătorii pot plasa ţesut bolnav în dispozitiv şi pot apoi testa diferite medicamente pe acel ţesut, urmărind cum este afectată capacitatea de pompare.
„Cu acest sistem, dacă luăm celule de la un individ putem vedea cum ar reacţiona acel individ la medicamente, pentru că folosim celulele sale. Acest sistem reproduce mai bine o parte din funcţia inimii, şi ne oferă, în acelaşi timp, flexibilitatea de a putea testa mai multe organisme umane. Este un model mai predictiv pentru a vedea efectele la om, fără a lucra de fapt pe oameni“, a spus Michas.
Potrivit cercetătorului, acest lucru ar putea permite oamenilor de ştiinţă să evalueze şansele de succes ale noilor medicamente pentru bolile de inimă cu mult înainte de studiile clinice. Mulţi candidaţi de medicamente eşuează din cauza efectelor secundare adverse.
„La început, când încă testăm celulele, putem introduce aceste dispozitive şi putem avea predicţii mai precise despre ceea ce se va întâmpla în studiile clinice. În acest fel, medicamentele ar putea avea mai puţine efecte secundare“, spune Michas.
Una dintre părţile cheie ale dispozitivului miniPUMP este o schelă acrilică care susţine şi se mişcă odată cu ţesutul cardiac în timp ce acesta se contractă.
O serie de spirale concentrice extrafine, mai subţiri decât firul de păr uman, sunt conectate prin inele orizontale, făcând ca schela acrilică să arate ca un piston artistic.
Este o piesă esenţială a dispozitivului, care formează structura celulelor inimii, fără a exercita nicio forţă activă asupra lor.
„Nu credem că metodele anterioare studiază ţesutul cardiac în acest mod, în care muşchiul răspunde în corpul uman. Am avut ocazia să construim pentru prima dată un dispozitiv mecanic asemănător cu ceea ce credem că se confruntă, de fapt, inima şi este un mare pas înainte“, spune Christopher S. Chen, directorul Centrului de Design Biologic al BU şi membru asociat al facultăţii de inginerie biologică din cadrul universităţii Harvard.
Pentru a imprima fiecare dintre componentele minuscule ale dispozitivului, echipa a folosit un proces numit scriere directă cu laser folosind tehnica fotopolimerizării cu doi fotoni, o versiune mai precisă a imprimării 3-D.
Când lumina trece printr-o răşină lichidă, zonele pe care le atinge devin solide. Întrucât lumina poate fi focalizată cu o astfel de precizie şi concentrată într-un punct minuscul, multe dintre componentele din miniPUMP sunt de ordinul micronilor, mai mici decât o particulă de praf.
Oamenii de ştiinţă au creat dispozitivul la o mărime miniaturală şi nu la scară reală, întrucât dimensiunea sa este crucială pentru funcţionarea acestuia.
„Elementele structurale sunt atât de fine pentru a face ca părţile care ar fi de obicei rigide să fie flexibile. Prin analogie, dacă ne gândim la fibra optică, o fereastră de sticlă este foarte rigidă, dar putem înfăşura fibra optică de sticlă în jurul degetului.
Acrilicul poate fi foarte rigid, dar folosită la scara miniaturală cum este în miniPUMP, schela acrilică poate fi comprimată de cardiomiocitele care bat“, a explicat White.
Chen spune că scara dispozitivului demonstrează că „o arhitectură de imprimare mai fină, este capabilă să creeze o organizare mai complexă a celulelor decât am crezut înainte că ar fi posibil“.
Atunci când cercetătorii încearcă să creeze celule, spune el, fie că sunt celule cardiace sau celule hepatice, toate sunt dezorganizate. Asta înseamnă că schelele pentru ţesut inovate în miniPUMP ar putea fi folosite şi la realizarea altor organe miniaturale cum ar fi rinichii sau plâmânii.
Obiectivul imediat următor pentru echipa ar fi acela de a rafina tehnologia. De asemenea, cercetătorii intenţionează să testeze modalităţi de fabricare a dispozitivului fără a compromite fiabilitatea acestuia.
„Are atât de multe aplicaţii pentru cercetare. Pe lângă faptul că ne oferă acces la muşchiul uman al inimii pentru a studia bolile şi diversele patologii, această lucrare deschide calea către confecţionarea unor plasturi cardiaci care ar putea fi folosiţi la cei cu anumite defecte la inimă“, a mai menţionat Chen.
